[发明专利]高通量、高盐截留率的疏水改性蒸馏膜材料及其应用

说明书

技术领域

本发明属于膜材料领域，具体涉及具有高通量、高盐截留率的疏水改性蒸馏膜材料和应用。

背景技术

水资源短缺、环境污染和能源危机是目前全球面临的重大问题。在海水淡化、污水循环利用领域，膜材料已经成为常规分离技术。其中，反渗透膜技术得到了大量的应用。在反渗透过程中，操作压力高，能耗也高。同时，反渗透过程回收率较低，在获得纯净水的同时，产生大量的高含盐废水，给环境带来二次污染。因此研究新一代绿色、低能耗、低污染的脱盐技术日益受到关注，膜蒸馏技术就是其中之一。

膜蒸馏过程是利用疏水分离膜材料为分离介质，以膜两侧的蒸汽分压差为推动力，在远离水的沸点的情况下实现盐水或废水的浓缩而获得纯净水的过程。实际上，膜蒸馏是一种以气化和冷凝相结合的膜过程，水蒸气由高蒸汽分压处透过疏水膜。膜蒸馏过程的推动力是膜两侧的蒸气分压差，疏水膜起到通气和隔热的作用，通气就是使水蒸气能够自由的通过，而液体或固体却无法通过。

相对于其他脱盐过程，膜蒸馏具有以下优点：1.对非挥发性组成选择性高(离子、高分子和胶体截留率100％)；2.膜蒸馏可以在较低温度下操作，从而可以利用低级热，如太阳能、锅炉循环水、核电厂发电时产生的废热；3.可以处理高浓度的液体，如反渗透过程浓缩液等。

尽管膜蒸馏具有这些比较明显的优点，但是目前为止膜蒸馏过程仍然没有工业化。主要原因有两个：(1)膜材料的问题，现有的商业疏水膜材料一般都不是为膜蒸馏而设计的，如聚丙烯、聚乙烯、聚四氟乙烯和聚偏氟乙烯膜等，这些膜在孔隙率和孔径分布等方面不能满足膜蒸馏的要求，导致其水通量较低，因此无法得到工业化应用；(2)由于膜的疏水性不足，导致膜孔的润湿，膜的有效蒸发面积下降，通量降低，以及盐透过膜最终导致截留率下降。所以如何设计膜材料，增强膜的疏水性是提高膜通量和解决膜孔润湿问题的关键。

在膜蒸馏过程中，原料液必须要与膜接触形成气液界面，蒸气由膜孔渗透。为了避免液体穿过膜孔，操作压力必须低于液体穿透压力(LEP)，LEP值可以通过Laplace-Young方程测定：

LEP=-2Θγcosθrmax]]>

其中γ为表面张力、Θ为与孔结构有关的因子、0为液固接触角、r_max为膜最大孔半径。

由LEP方程可知，接触角越大，孔径越小膜的LEP值越大。因此，为防止膜孔被润湿，需要提高接触角或降低膜的孔径。然而目前绝大多数采用的膜材料的孔径都较大(通常为微孔级别)，为膜的润湿带来隐患。

中国专利CN101249388A公开了一种复合平板蒸馏膜及其制备方法，已经过功能整理的纺织品为支撑体，并在支撑体上涂层疏水性聚合物微孔膜。获得膜材料的24小时透湿量为6～9kg。通量非常低，可能是疏水性不足且跨膜阻力太大引起的。CN101632903A公开了一种聚偏氟乙烯蒸馏膜材料，其60Kpa下，气体通量为6m³/m².kpa。该专利的主要工作内容在于提高膜的疏水性的配方，但膜蒸馏性能未知。

CN1569314A公开了一种提高膜蒸馏过程中提高膜通量的方法，其中主要采用空气隙式膜组件，并且在膜蒸馏过程中使膜的渗透侧与冷壁之间保持部分接触，优选使膜与冷壁接触的棉结占有效膜面积的70-80％。此专利同时还涉及可实现上述提高膜通量方法的空气隙式膜蒸馏装置。采用此方法与装置可在提高热效率的同时使膜通量显著提高，有利于是膜蒸馏技术得到更更广泛的应用。

CN1068973A公开了一种利用高分子疏水材料来改性微孔膜制备膜蒸馏材料的方法，将亲水性或疏水性不强的微孔膜改性为疏水膜。结果表明亲水膜经改性后可用于膜蒸馏过程，疏水经改性后性能优于未改性的膜性能，对盐的截留率达到98％左右。分析其改性过程可知，提高膜的疏水性可以改善渗透性能，但高分子涂层过程可能存在均匀性差和堵塞膜孔等问题，限制了其应用。

综上所述，为提高膜的通量降低膜的润湿，对膜材料进行改性是制备蒸馏膜的重要关键技术。但是，目前改性膜仍存在疏水性不足，涂层材料在改性过程引起膜孔堵塞而导致的低通量和低盐截留率的问题。